高壓變頻電動機保護的研究及應用

陳朝暉，李中玉

（1.臺州發電廠，浙江 臺州 318016；2.浙能中煤舟山煤電有限責任公司，浙江 舟山 316131）

近年來，發電企業通過對6 kV及以上電壓等級大功率電動機進行變頻調速技術改造，取得了很好的節能效果和經濟效益。但變頻裝置的應用對傳統電動機保護裝置及保護配置帶來很大的影響，目前所配置的微機型電動機差動保護和綜合保護，保護范圍、工作原理以及設計選用的TA（電流互感器）等，都已經不符合高壓變頻電動機系統實際要求，嚴重威脅著電氣一次設備的安全可靠運行。因此系統地研究變頻電動機的保護、配置和實現方法具有非常重要的現實意義。

通過分析高壓變頻調速系統的組成及各組成設備的工作特性，結合工程實例，提出配置各自獨立、保護范圍相互交叉的新型保護配置方案。

1 變頻調速系統的保護配置及存在問題

1.1 變頻調速系統

變頻器是利用電力半導體的通斷作用將工頻電源變換成另一頻率的電能控制裝置。目前應用在發電廠中的高壓電機變頻器一般都采用高-高結構，整個系統由移相變壓器、變頻器、電機三部分設備組成。為確保變頻器元件故障不影響機組發電，大多設置旁路運行模式，加裝變頻器后的高壓變頻系統的電氣接線如圖1所示。

圖1 高壓變頻系統接線原理

1.2 保護的配置

發電廠大容量電動機保護由傳統的微機型綜合保護和差動保護構成，裝設在高壓開關柜內。綜合保護提供速斷保護、負序保護、零序保護、長啟動保護、堵轉保護、低電壓保護和過負荷保護，根據電動機及系統運行特點靈活配置反應各種故障及異常的保護。

傳統的微機差動保護和綜合保護裝置都是基于工頻運行的電動機設計，在加裝了變頻設備后，對應的電動機保護已不能同時滿足電動機工頻、變頻兩種運行工況要求。且原裝設的TA能否滿足低頻運行時電流正確傳輸，也需分析計算。

1.3 變頻工況下存在的問題

（1）高壓電動機在變頻工況下無主保護。電動機差動保護基于電動機機端和中性點電流構成的相量，計算差動電流和制動電流。當變頻運行時，2組TA分處于變頻器的兩側，運行頻率不同。不同頻率的電流無法實現電氣量差動保護，會導致差動保護誤動，變頻運行時需退出差動保護。

（2）高壓電動機在變頻工況下無可靠的后備保護。高壓變頻調速系統的等效阻抗發生很大的變化，由于變頻器的交-直-交環節中直流隔離作用，使綜合保護的范圍縮小到變頻器前的交流部分，變頻器輸出電纜及電動機基本處于無保護狀態，只能依賴變頻器內的保護。而高壓變頻器配置的保護是針對變頻器功率元器件，而不是電動機，無法保證在任何情況下都能反應電動機的各種故障，況且其定值及其特性在現場無法校核檢驗。

（3）常規配置的TA存在低頻飽和現象。傳統的電磁式TA是利用電磁感應原理通過鐵心耦合實現一、二次電流變換，由于鐵心具有磁飽和特性，不適合在寬頻工況下運行，特別是在低頻工況下非常容易飽和，從而影響保護裝置動作的正確性。

2 高壓變頻調速系統電動機保護整體方案分析

2.1 移相變壓器保護配置

在電動機變頻調速工作整個過程中，移相變壓器始終工作在50 Hz，故移相變壓器可看成常規變壓器設備。按《繼電保護及安全自動裝置技術規程》要求，根據變壓器額定電壓和額定容量，配置常規的基于50 Hz的變壓器微機綜合保護即可。

2.2 變頻單元保護配置

變頻器是一個復雜的大功率電力電子裝置，其運行可靠性受電磁干擾、元器件質量、環境溫度、空氣潔凈度等影響很大，因此變頻器必須配置完善的保護功能，變頻器保護一般集成在變頻器內控制電路中，應配置以下幾種保護功能：

（1）過流保護：變頻器內部控制回路、驅動回路受干擾或其他原因誤動作，就會造成逆變器上、下橋臂直通短路事故。短路電流導致逆變器的開關元件燒毀，需在極短的時間內封鎖PWM（脈沖寬度調制）驅動信號輸出，停止逆變器工作，同時將電源輸入的高壓開關跳開。

（2）過載保護：電動機過載會使逆變器輸出電流達1.5倍額定電流以上，造成IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）的損壞。過載保護應具有反時限特性，并應配置合適的過載保護。

（3）過電壓保護：變頻器輸入電壓長時間過高或電動機快速減速時，造成再生功率直流電路電壓降升高。當電壓超過IGBT的安全工作電壓時，會損壞IGBT，需立即關閉逆變器。

（4）欠壓保護：當輸入電源發生低電壓、缺相、斷相，或者變頻器內部電容損壞時，IGBT會使其驅動功率不足而造成元件損壞，需立即關閉逆變器。

2.3 電動機保護配置及算法

保護配置仍要遵循《繼電保護及安全自動裝置技術規程》規定，取消原常規的電動機差動保護和構成差動保護的常規TA后，在變頻器輸出端增加能適應頻率寬范圍調整的差動保護，同時在變頻器輸出端和電動機中性點處分別裝設能適應頻率寬范圍調整的TA，實現差動保護和后備保護。保留原綜合保護，作為變頻器退出而旁路運行時的保護，也可作為變頻運行時移相變壓器的保護。又因變頻調速改善了電動機的工作環境，避免了一些異常運行方式，可考慮不再配置長延時、堵轉、過負荷、低電壓的保護。

變頻系統下電動機保護的主要技術難點是采樣電流頻率的不確定性和存在大量諧波分量。傳統的繼電保護算法中，三采樣值算法與頻率無關，但該算法受諧波分量影響大，計算結果離散值大且無法檢測信號的相位信息，故三采樣值算法不適用于變頻電機保護。目前有一種HHT（希爾伯特-黃變換）理論，可以獲得非平穩信號的各個頻率分量的幅值和相位信息，選取其中幅值最大的頻率成分作為信號的主頻率，考慮變頻電動機的實際運行情況，可以認為主頻率成分占據信號的主要成分，其他頻率分量可以視為諧波分量。取變頻器輸出端和電動機中性點三相電流HHT變換的主成分頻率分量進行相量計算，形成基于HHT變換的差動保護和后備保護。

2.4 對TA的要求

為滿足變頻電動機保護的數據采樣正確性，必須解決TA低頻鐵心飽和問題，另外現場的高壓開關柜、電動機中心點TA箱一般都存在空間小、結構緊湊特點，且變頻系統一般采用每相2 mm×120 mm及以上動力電纜，這就對穿心式TA提出體積小、穿線孔直徑大及絕緣強度高的要求，常規TA較難滿足要求。電子式TA使用低功率鐵心線圈，其額定功率遠遠小于常規TA，可作為首選。

3 變頻調速系統電動機保護應用實例

3.1 脫硫增壓風機TA及保護原配置情況

臺州發電廠8號爐脫硫增壓風機電動機額定容量為3 300 kW；額定電壓6 kV；變頻器為羅克韋爾公司的PowerFlex 7000裝置，移相變壓器為ZTSFG-4600/6干式變壓器。

脫硫增壓風機TA及保護配置如圖2所示。在脫硫增壓風機6 kV開關柜中裝設有3組TA（1LH，2LH，3LH），電動機的中性點TA箱中裝設1組TA（4LH），并在開關柜中裝設了常規的CSC系列的差動保護裝置和綜合保護裝置。工頻運行時，差動保護和綜合保護裝置均投入；變頻運行工況下，差動保護退出運行，僅保留綜合保護運行。

3.2 電動機保護改造方案

北京四方繼保股份有限公司和臺州發電廠聯合開展了“變頻電動機的保護研究和改造”科技項目，開發研制了基于就地采樣的CSC236D數字式變頻電動機保護裝置，JLSGB-6型變頻電動機電子式TA及配套的就地采集單元設備，并成功地應用到臺州發電廠8號爐脫硫增壓風機上。

脫硫增壓風機變頻電動機保護改造整體方案如圖3所示。在6 kV開關柜和電動機的中性點TA箱分別加裝1組JLSGB-6型電子式TA（6LH和7LH），在變頻輸出至電動機的電纜安裝處變頻旁路刀閘柜內也加裝1組JLSGB-6型TA（5LH），3組TA通過就地采樣裝置完成采樣后，經過光纖傳輸到變頻保護裝置。

圖2 脫硫增壓風機改造前TA及保護配置

圖3 脫硫增壓風機改造后TA及保護配置

加裝1臺CSC-236D數字式變頻電動機保護裝置。裝置能提供頻率在5～65 Hz寬范圍變動的差動保護，還能根據旁路柜的變頻器進線閘刀和出線閘刀的狀態變化自動切換至工頻差動保護。當檢測到變頻運行時，由5LH和6LH電流互感器構成變頻差動保護；當檢測到工頻運行時，由6LH和7LH電流互感器構成工頻差動保護。

保留6 kV開關柜內原配置的綜合保護，考慮在工頻和變頻工況下綜合保護的對象不同，應設置2套定值，一套保護定值適用工頻運行時，作為6 kV電源電纜和電動機的后備保護；另一套適用變頻運行時，作為6 kV電源電纜和移相變壓器的保護；CSC-236D裝置提供變頻過流保護、負序保護和采樣值熱過負荷保護，作為變頻器輸出電纜和電動機的后備保護，電流采樣取自5LH。變頻器功率單元由集成在變頻器控制電路的保護來實現。

3.3 現場調試

利用測試儀向保護裝置施加數字模擬量，從裝置液晶界面查看模擬量的幅值、相序、通道正確；對裝置所提供的各個保護功能校驗，校驗結果保護功能良好，精度滿足要求。

在全開脫硫煙氣進、出口擋板和脫硫煙氣旁路擋板，增壓風機前導葉開至70%的模式下，監測脫硫增壓風機工頻、變頻啟動過程中對應的差動保護可靠不誤動；電動機帶載后，在工頻、不同頻率工況下檢查保護裝置的動作行為和各側電流的采樣值，均正確。

4 結語

電動機的高壓變頻調速已經非常普及，而與之相應的繼電保護新技術研究卻才剛剛開始。本文介紹的保護配置還需完善，新型保護裝置及其TA還有待運行時間的考驗，相信經繼電保護科技人員的努力，完善的保護配置方案及先進、可靠、穩定的新型保護裝置將會很快推廣應用，為高壓變頻調速電動機的安全運行提供保障。

[1]GB/T 14285-2006繼電保護和安全自動技術規程[S].北京：中國電力出版社，2006.

[2]王維儉.電氣主設備繼電保護原理和應用[M].北京：中國電力出版社，1996.